在太空中尋找黑洞有幾種方法？
「根據狹義相對論，光是最快的，所以如果連光都逃不掉，那其他東西就更不用說了。能產生這種結果的就是黑洞：一個無法逃離的時空區域。」——史蒂芬·霍金
有些東西大小一樣，質量相差卻很大。
不僅體積有可能相等——構成它們的原子數量也有可能相等——這是有可能的，因為物體可以由不同的元素構成。元素在周期表上越靠後，單個原子的體積和質量也越大，所以通常來說，如果忽略電子層大小的差異，單個原子越重，物質的密度就越大。
要提高密度，除了增加原子核的質量，其實還有其他方法。
在最大尺度上，引力是所有作用力中最強大、最不可抗的。要不是太陽內部存在著強大的質-能轉換，這顆比地球質量大300000倍的恆星就會坍縮。坍縮後它的體積還不如地球，但是它的密度將比地球上密度最高的元素還要高數千倍。
這是因為引力能夠壓縮原子本身，只有泡利不相容原理中的量子壓力才能阻止白矮星繼續坍縮。但如果質量足夠大，電子便會被強行壓入原子核中，所有的質子和電子都會融合成中子，形成一種密度更高的物質形式——中子星。
和太陽質量相等的白矮星大小相當於地球，同等質量的中子星大小隻相當於美國的紐約市！而且，想要從中子星表面離開是極其困難的。離開地球表面所需的速度是大約每秒11.2公里，離開中子星表面你的速度需要達到大約每秒200000公里，超過光速的一半！
事實就是，如果你一點一點地累積中子星物質，最終它所包含的單個中子也會坍縮，坍縮到連光線都無法逃脫。正如霍金，以及在他之前的許多學者（一直可以追溯到18世紀的John Michell）所說，這會在空間中產生一個所有物質（包括其他能量形式）只能進入，卻無法出來（物質、光線，及其他一切）的黑洞。
質量那麼大，連光都逃不走，那怎樣才能探知到它們呢？
答案很簡單：利用它們的引力。
通過觀測單一恆星圍繞不發光的質量點運行的特點，我們就可以推斷出黑洞的存在——如在我們銀河系的中心，就有一個質量為太陽數百萬倍的質量點，它不發光，也不具有任何類型的輻射信號。
但這並不是唯一的一個黑洞。我們已經知道在數以百計的星系中心都有黑洞。這些星系離我們太遙遠，因此無法測量單一恆星圍繞著它們所作的運動。那我們是怎麼知道的呢？
這是因為黑洞擁有極強的引力，它們會把從近旁經過的物質撕成碎片，包括氣體雲、小行星、行星，甚至整個恆星，如上圖所示。
黑洞，和中子星、白矮星、普通恆星一樣，都擁有強大的磁場，離它的視界——這個光無法逃脫的臨界點越近，磁場就越強。當由帶電粒子，如質子和電子構成的物質穿越它的磁場時，會逐漸加速，在越來越強大的磁場作用下，它所攜帶的能量也會越來越高，同時便會釋放出輻射。
因此，我們可以做的，就是尋找那些來自星系中心的X線輻射和雙極噴流，如半人馬座A星系所擁有的那些。
這些噴流是超大質量黑洞活動的證據，它們正在吞食食星系中的物質！
上圖的巨大橢圓星系M60中心有一個質量為太陽幾十億倍的黑洞，獲知這一切要感謝X線輻射的幫忙。我們之所以能夠得知它的質量，是因為在X線輻射和使物質加速的黑洞質量間存在著關聯！
的確並非所有黑洞都是活躍的，但是每個與其他物質共生的黑洞（幾乎所有）都有一個積吸盤。如果我們可以靠近觀察這個積吸盤，就會發現物質會在那裡加速得越來越快，並且逐步輻射出越來越多的能量。
換句話說，積吸盤外圍部分可能是不可見的，但是如果你靠近，即使黑洞本身不發光，你還是可以看到那個在有限半徑內散發出昏暗紅光的積吸盤，其顏色會由外向內逐漸從紅色向橙色、黃色、白色過渡，最終變成藍色和紫色！
如果你可以看到紫外線和X射線，你會發現它們會產生在距視界非常近的地方。因此即便黑洞沒有正好在吞食物質的過程中，由於存在著積吸盤，它仍然是可以被看見的！隨著我們極端高能觀測解析度的提高，那些較小的、距離更遠的黑洞被直接觀測到的可能性也越來越大了。
但是要是黑洞既沒有吃東西，也沒有積吸盤，而且在宇宙中與世隔絕呢？我們還可以「看」到它嗎？
不管你信不信，答案仍然是可以。你只要有正確的方法，就可以看到。
量子力學上的「真空」會持續產生正-反粒子對，它們會在瞬間出現並湮滅。這些粒子對中也包括光子，但我們通常看不到。在黑洞的邊緣，在某一時刻，這些虛粒子中的一個會墜入黑洞，而與此同時，另一個會逃逸。
當這一過程發生時，逃逸的粒子——不管它是物質、反物質還是光子——它們都帶有正能量，與此同時，黑洞會失去相應的一部分質量。這種輻射被稱為霍金輻射，是斯蒂芬·霍金最偉大的科學貢獻，這種輻射的存在，及其規模和能量頻譜，都是由他提出的。
這種輻射的溫度是極低的；銀河系中心的黑洞所釋放出的霍金輻射溫度僅有10^(–15)K。但是隨著黑洞的蒸發，及其質量的失去，溫度會升高。黑洞完全蒸發大概需要10^100年，但是在它蒸發殆盡的那一刻，就會發出一道強烈的閃光，其釋放出的能量大概會與地球上的核彈爆炸差不多！
所以以上就是我們尋找黑洞的幾種方法：在實際方法上，主要還是通過引力和X線輻射，理論上還可以通過分析積吸盤的完整光譜，以及來自霍金輻射的超低能量光——也許有一天，我們有足夠的智慧能夠檢測得到它。而現在，我們知道它們儘管叫黑洞，卻其實一點也不黑！
Ethan Siegel 文 / 老孫 譯
（未經許可請勿轉載）
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